《课程设计电力系统》课件

电力系统课程设计本课程旨在为电气工程专业学生提供电力系统设计的理论基础和实践能力课程涵盖电力系统的基本概念、组成结构、运行特性以及各种分析方法通过系统性的学习，学生将掌握电力系统的核心原理，并具备进行电力系统设计、分析和优化的基本技能课程内容包括电力系统稳态和暂态分析、短路计算、继电保护设计以及现代电力系统的新技术应用学生将通过理论学习与实际案例相结合的方式，深入理解电力系统工程的复杂性和重要性，为未来从事电力系统相关工作奠定坚实基础课程概述课程目标与学习成果1培养学生掌握电力系统基本理论，具备系统分析和设计能力，为工程实践做好准备理论与实践结合2通过理论学习和课程设计实践，深入理解电力系统运行原理和工程应用方法设计流程与考核3系统性的设计训练流程，包括建模、计算、分析和优化，采用多元化考核方式学习资源推荐4提供丰富的教材、软件工具和在线资源，支持学生深入学习和研究电力系统基本概念系统定义与特点发展历程重要性与挑战电力系统是由发电、变电、输电、配从19世纪末的小型独立发电站发展到电力系统是现代社会的重要基础设电和用电设备及相应的辅助系统组成现代大规模互联电网，电力系统经历施，面临能源转型、环境保护、智能的电能生产、传输、分配、使用的统了从直流到交流、从低压到高压、从化改造等多重挑战，需要不断技术创一整体具有瞬时性、复杂性和可靠单机到网络的演进过程新和系统优化性要求高等特点电力系统的构成负荷（用电设备）电力网络消耗电能的各种设备和用户，包连接发电机和负荷的输变电设括工业负荷、居民负荷、商业负备，包括变压器、输电线路、开荷等，具有不同的用电特性和需关设备等，实现电能的安全可靠发电机（电源）相互作用求传输将各种一次能源转换为电能的设三者之间形成有机整体，通过功备，包括火电、水电、核电、风率平衡、电压控制、频率调节等电、光伏等多种类型，是电力系机制，确保系统稳定运行统的能量源头发电环节概述常规发电方式新能源发电火力发电是目前主要的发电方式，通过燃烧化石燃料产生蒸汽驱风力发电通过风轮捕获风能转换为电能，技术日趋成熟太阳能动汽轮机发电水力发电利用水流动能，具有清洁、可再生的优发电包括光伏和光热发电，是最具潜力的可再生能源生物质发点核电利用核裂变产生热能，发电效率高且碳排放少电、地热发电等也在快速发展，构成多元化能源结构输电环节概述架空线路采用导线架设在杆塔上的输电方式，成本低、维护方便，是长距离输电的主要形式电缆线路导线埋设在地下或水下，占地少、可靠性高，适用于城市和特殊地理环境电压等级从220kV到1000kV的超高压输电，电压等级越高，输电能力越强，损耗越小传输效率通过优化线路参数和运行方式，提高输电效率，降低网络损耗变电环节概述变电所功能变电所是电力系统中进行电压变换、功率分配和控制保护的枢纽通过变压器实现不同电压等级之间的转换，确保电能的安全传输和合理分配变电所还承担着电力系统监控、保护和自动化控制的重要功能主要设备作用变压器是核心设备，实现电压变换；断路器提供开合和保护功能；隔离开关确保检修安全；电流电压互感器提供测量和保护信号；避雷器保护设备免受雷击；母线连接各种设备形成电气回路运行控制现代变电所采用计算机监控系统，实现无人值守运行通过SCADA系统实时监测设备状态，自动调节电压和功率分配，快速响应故障并执行保护动作，提高系统运行的安全性和经济性配电环节概述网络结构配电网采用辐射型、环型或网型结构，根据负荷密度和供电可靠性要求选择合适的接线方式线路特点配电线路电压等级较低，线路较短，分支较多，负荷变化频繁，需要灵活的运行控制自动化系统配电自动化实现故障快速定位、隔离和供电恢复，提高供电可靠性和服务质量用户接入为各类用户提供标准化的接入方式，满足不同用电需求和电能质量要求用电环节概述工业负荷居民负荷商业负荷大型电机、电炉等设家用电器、照明等设商场、办公楼等商业设备，功率大、负荷相对备，功率较小但数量众施，负荷变化与营业时稳定，对电压质量要求多，具有明显的日负荷间相关，空调负荷占比高，是电力系统的主要曲线和季节性变化特征较大，对供电连续性要用电客户求高负荷预测通过历史数据分析和数学模型，预测未来负荷变化趋势，为电力系统规划和运行提供依据电力系统运行特性正常运行系统各参数在允许范围内，设备正常工作异常运行参数超出正常范围但设备仍能工作故障状态设备损坏或系统失去稳定性动态特性系统在扰动下的瞬态响应过程控制调节频率电压的自动调节与人工干预电力系统等值电路基本元件模型建立发电机、变压器、线路等元件的数学模型系统简化将复杂系统简化为便于分析的等值电路单线图表示用单线图表示三相对称系统的接线方式标幺值计算采用标幺值简化不同电压等级的计算标幺值系统定义与意义基准值选取标幺值是实际值与基准值的比值，消除合理选择功率和电压基准值，确保计算了不同电压等级和容量的差异，简化计的一致性和准确性算过程基准转换计算步骤当需要改变基准值时，按比例关系进行按照统一的基准值体系，将系统各元件相应的数值转换参数转换为标幺值发电机等值模型基本结构等值电路与参数同步发电机由定子和转子组成，定子绕组产生三相对称电动势，发电机可用电动势源串联阻抗的等值电路表示，其中内电动势反转子励磁绕组建立磁场发电机的基本工作原理是电磁感应，通映励磁强度，内阻抗包括电阻分量和电抗分量在不同的分析中过旋转磁场切割导体产生电动势采用不同的电抗值，如稳态分析用同步电抗，暂态分析用暂态电抗发电机的结构参数直接影响其电气特性，包括定子电阻、同步电抗、暂态电抗等重要参数，这些参数决定了发电机的运行特性和参数确定需要通过制造厂提供的技术数据或现场试验获得，包括系统分析中的数学模型空载试验、短路试验等标准试验方法，确保模型参数的准确性和可靠性变压器等值模型2绕组数量基本变压器包含原边和副边两个绕组3参数类型电阻、电抗、磁化支路三类参数98%变换效率现代大型变压器的典型效率水平±5%调压范围有载调压变压器的典型调节范围变压器等值电路有T型和Π型两种基本形式T型等值电路将漏阻抗分别放在原副边，便于理解物理意义；Π型等值电路将参数集中，便于网络计算选择哪种模型主要取决于分析的需要和计算的方便性输电线路等值模型短线路模型长度小于80km，忽略对地电容，只考虑串联阻抗中长线路模型长度80-250km，采用π型等值电路，考虑集中电容长线路模型长度超过250km，考虑分布参数特性，采用双曲函数描述参数计算根据导线型号、杆塔结构等计算电阻、电抗、电容参数负荷等值模型静态负荷模型动态负荷模型负荷功率仅与当前电压和频率有关，不考虑历史状态影响包考虑负荷的动态响应特性，功率不仅与当前状态有关，还与电括恒功率、恒电流、恒阻抗三种基本类型，以及它们的组合形压变化的历史过程相关适用于包含大量电动机负荷的系统分式析综合负荷特性模型应用ZIP实际负荷由多种设备组成，呈现复合特性需要通过现场测量将负荷表示为恒阻抗Z、恒电流I、恒功率P三种分量的组合，和统计分析，建立符合实际情况的综合负荷模型是目前广泛采用的实用负荷模型形式电力系统稳态分析潮流计算基础节点功率方程牛顿拉夫逊法-基于基尔霍夫定律建立的非线性采用泰勒级数展开，将非线性方代数方程组，描述了网络中各节程线性化，通过迭代求解具有点注入功率与节点电压之间的关收敛速度快、精度高的优点，是系方程的复杂性源于功率与电目前最常用的潮流计算方法压的非线性关系快速解耦法基于电力系统的特殊性质，将有功功率-电压相角和无功功率-电压幅值解耦，简化雅可比矩阵，提高计算效率潮流计算示例数据准备收集系统接线图、元件参数、负荷数据和发电机出力，建立节点导纳矩阵初值设置设定各节点电压初值，通常假设所有节点电压为

1.0∠0°迭代计算按照选定算法进行迭代，直到功率不平衡量小于预设精度要求结果分析分析节点电压、支路功率和网损，检查是否满足运行约束条件电力系统暂态分析电磁暂态时间常数为微秒到毫秒级，主要由电路的L、C参数决定包括雷击过电压、操作过电压等快速电磁现象，需要考虑系统的高频特性机电暂态时间常数为秒级，由发电机转子的机械惯性决定包括功角振荡、转速变化等现象，是系统稳定性分析的重点内容分析方法根据暂态现象的时间尺度选择不同的分析方法和模型电磁暂态需要详细的高频模型，机电暂态可采用基频相量模型短路故障分析基础对称故障不对称故障三相短路故障，系统仍保持三相对称性，可包括单相接地、两相短路、两相接地短路，用单相等值电路分析需用对称分量法分析故障影响故障原因产生大电流、电压跌落、系统振荡，威胁设设备绝缘损坏、误操作、自然灾害等，导致备安全和系统稳定非正常的电流通路对称短路计算设备选择依据短路电流计算短路电流计算结果是选择保护设备、开关设故障特征分析短路电流包括稳态分量和暂态分量稳态分备容量的重要依据断路器的开断容量、电三相短路是最严重的对称故障，三相电流和量由系统的正序阻抗决定，暂态分量随时间流互感器的动稳定倍数、导体的热稳定性都电压仍保持对称关系故障点电压降为零，按指数规律衰减计算中需要考虑发电机的需要根据短路电流确定，确保设备能够承受短路电流由系统中所有电源共同提供由于暂态电抗和次暂态电抗，以及系统的时间常故障冲击保持三相对称性，可以用正序网络进行分析数计算不对称短路计算单相接地短路最常见的不对称故障，约占全部故障的85%故障相电压为零，非故障相电压升高，需要用三序网络串联计算两相短路两相间直接短路，故障相电压相等，电流大小相等方向相反正序和负序网络并联，零序网络不参与两相接地短路两相同时接地的复合故障，是最复杂的不对称故障类型三序网络形成特定的连接方式，计算相对复杂计算方法采用对称分量法将不对称系统分解为正序、负序、零序三个对称系统，分别计算后再合成实际的不对称量对称分量法正序分量三相幅值相等、相位依次相差120°的对称系统负序分量三相幅值相等、相位依次相差-120°的对称系统零序分量三相幅值相等、相位相同的同相系统序网络分别建立正序、负序、零序等值网络故障计算根据故障类型连接序网络求解电力系统稳定性稳定性基本概念稳定性分类与措施电力系统稳定性是指系统在正常运行状态下受到扰动后，能够恢按照扰动性质和时间尺度，稳定性分为静态稳定性、暂态稳定性复到可接受运行状态的能力扰动可能是负荷变化、短路故障、和动态稳定性静态稳定性关注小扰动下的稳定性；暂态稳定性设备投切等稳定性分析是确保系统安全运行的重要手段研究大扰动如故障下的稳定性；动态稳定性涉及控制系统的长期稳定性稳定性问题的本质是系统中各发电机之间保持同步运行的能力提升稳定性的措施包括优化系统结构、合理配置无功功率、采当扰动较小时，系统能够自动调节恢复平衡；当扰动超过临界值用快速励磁系统、安装电力系统稳定器、实施切机切负荷等紧急时，系统可能失去稳定性，导致发电机失步、电压崩溃或频率偏控制措施现代电力系统还采用广域测量系统实现更精确的稳定移性监控和控制电力系统保护过电流保护距离保护差动保护当线路或设备电流超过根据故障点到保护安装比较被保护设备两端电整定值时动作，是最基处的电气距离判断是否流的差值，理论上具有本的保护类型，包括瞬动作，具有良好的选择绝对选择性，是发电时过流和延时过流保护性，广泛用于输电线路机、变压器的主保护保护频率保护当系统频率偏离正常范围时动作，包括低频减载、高频切机等，维护系统频率稳定课程设计任务概述设计目标1培养学生运用电力系统理论知识解决实际工程问题的能力，掌握电力系统分析和设计的基本方法，提高工程实践能力和创新思维技术要求2遵循国家和行业技术标准，满足安全、经济、可靠的设计原则，考虑环境保护和可持续发展要求，体现先进技术的应用设计流程3包括需求分析、方案制定、参数计算、结果验证、优化改进等环节，培养系统性思维和科学的设计方法成果要求4提交完整的设计计算书、技术图纸、设计说明书和答辩演示文稿，体现设计过程的完整性和结果的可靠性设计原始资料设计计算方法计算流程计算工具建立清晰的计算流程，包括建模、计合理选择手工计算和计算机仿真相结合算、校验、优化等步骤，确保设计过程的方法，掌握专业软件的使用技巧的系统性和完整性结果验证数据处理通过多种方法验证计算结果的正确性，规范数据的收集、整理、分析方法，确包括理论分析、经验判断、对比验证等保计算输入的准确性和可靠性系统模型构建单线图绘制按照标准符号绘制系统接线图，清晰表示各元件连接关系和电压等级参数确定收集和计算各元件的电气参数，建立准确的数学模型标幺值统一选择合适的基准值，将所有参数转换为统一的标幺值系统负荷建模根据负荷特性选择合适的负荷模型，反映实际用电特点潮流计算设计计算准备建立节点导纳矩阵，确定节点类型和边界条件算法选择根据系统规模和精度要求选择合适的潮流计算方法迭代求解设置合理的初值和收敛精度，监控迭代过程的收敛性结果评价分析电压水平、功率分布和网络损耗，评估运行状态短路计算设计故障点选择选择系统关键节点作为故障点，包括重要母线、线路中点等，确保分析的全面性和代表性故障类型确定分析各种可能的故障类型，重点计算三相短路和单相接地短路，评估最严重的故障情况计算方法应用根据故障类型选择相应的计算方法，对称故障用正序网络，不对称故障用对称分量法结果分析评价分析短路电流大小、电压跌落程度，评估对系统安全的影响，为设备选择提供依据继电保护设计保护方案选择保护装置配置根据被保护对象的重要性、系统确定各级保护的类型、数量和安结构和运行方式，选择合适的保装位置考虑保护的可靠性、选护原理和配置方案主保护确保择性、速动性和灵敏性要求，合快速切除故障，后备保护提供安理配置电流保护、距离保护、差全保障，辅助保护处理异常运行动保护等不同类型的保护装置状态整定计算与协调根据系统运行方式和故障计算结果，进行保护定值的整定计算确保上下级保护之间的协调配合，避免误动和拒动，实现故障的快速、准确、选择性切除稳定性分析设计

0.3s临界切除时间系统保持暂态稳定的最大故障切除时间15°稳定裕度典型的功角稳定性安全裕度要求±5%电压偏差正常运行时允许的电压波动范围±

0.2Hz频率偏差系统频率的正常运行允许偏差范围稳定性分析是电力系统设计的关键环节，需要评估系统在各种扰动下的稳定性能分析包括小干扰稳定性、暂态稳定性和电压稳定性等多个方面，为系统运行方式和控制策略的制定提供科学依据设计案例分析一案例背景1某地区电网包含3个发电厂和5个变电站，总装机容量500MW，最大负荷350MW，需要分析系统的运行特性和稳定性系统建模建立系统单线图，确定各元件参数，统一标幺值基准，建立节点导纳矩阵，为后续计算做准备计算分析进行潮流计算分析正常运行状态，短路计算确定故障电流，继电保护整定确保系统安全结果讨论分析计算结果，评估系统性能，提出运行建议和改进措施，验证设计方案的合理性设计案例分析二新能源并网保护配置优化运行优化建议案例包含风电场并网，需要考虑风电的间针对含新能源的系统特点，优化保护配置基于分析结果，提出系统运行优化建议歇性特点和对系统稳定性的影响分析风方案考虑风电场的故障特性，调整保护包括发电计划安排、无功功率配置、电压电功率波动对电压和频率的影响，设计相定值，确保新能源设备与常规设备的协调控制策略等，提高系统运行的经济性和安应的控制策略保护全性计算机辅助设计专业软件介绍数据输入处理结果分析输出PSASP、PowerWorld、掌握软件的数据格式要学会解读软件输出结果，ETAP等专业电力系统分析求，正确输入系统参数和制作专业的分析报告和图软件，具有强大的建模、运行数据，建立准确的系表，将计算结果转化为工计算和分析功能，是现代统模型，确保计算结果的程决策的有用信息电力系统设计的重要工具可靠性设计流程优化利用软件的自动化功能，提高设计效率和准确性，实现设计流程的标准化和规范化电力系统仿真技术仿真原理与方法仿真应用与验证电力系统仿真是利用数学模型和计算机技术，模拟电力系统的运仿真广泛应用于系统规划、设备选型、保护整定、运行培训等领行行为和动态过程仿真可以分为离线仿真和实时仿真两类，前域通过仿真可以在虚拟环境中测试各种运行场景，验证设计方者用于设计分析，后者用于运行培训和控制验证案的可行性，降低实际试验的风险和成本仿真技术涵盖电磁暂态仿真、机电暂态仿真和长期动态仿真等不仿真结果需要与实际系统数据进行对比验证，不断完善模型参数同时间尺度的分析每种仿真都有其特定的应用场景和技术要和仿真精度仿真只是分析工具，最终的工程决策还需要结合实求，需要根据分析目的选择合适的仿真类型和工具际经验和现场情况进行综合判断新能源并网系统设计光伏发电特性风电并网要求功率输出受光照强度影响，具有明显的功率波动性大，需要满足电网公司的并日变化和季节变化特性，需要配置储能网技术规范，配置低电压穿越能力或备用电源储能系统配置电网适应性储能技术是提高新能源消纳能力的重要新能源大规模并网对电网的电压、频率手段，需要合理配置容量和控制策略稳定性带来挑战，需要智能调度和控制微电网系统设计智能控制先进的能量管理和优化调度并离网运行灵活的运行模式切换能力储能配置合理的储能容量和技术选择分布式电源4多种分布式发电技术的集成本地负荷就近供电的负荷特性分析微电网是包含分布式电源、储能设备、负荷和控制系统的小型电力系统，能够实现自我控制和管理微电网设计需要考虑能量平衡、电能质量、保护配置等多个方面，实现经济高效的本地化供电智能电网技术通信技术光纤通信、无线通信、电力线载波等多种通信方式的融合应用，构建覆盖全网的高速、可靠通信网络，支撑智能电网的信息化需求传感监测广域测量系统（WAMS）、智能传感器等先进测量技术，实现电网运行状态的实时监测和数据采集，提供精确的系统感知能力智能分析大数据分析、人工智能、机器学习等技术在电网中的应用，实现智能预测、故障诊断、优化控制等高级功能自动化控制先进的自动化系统和控制策略，实现电网的自愈、自优化功能，提高系统的可靠性和运行效率。